Technical Issues 3/2016 pp. 99-105 ISSN 2392-3954
MIKROSTRUKTURA ODLEWNICZYCH STOPÓW MAGNEZU
WZMACNIANYCH CZĄSTKAMI AL
2O
3MICROSTRUCTURE OF THE FOUNDRY MAGNESIUM ALLOYS
REINFORCED AL
2O
3PARTICLES
Paweł Piórkowski Adam Kurzawa
Politechnika Wrocławska
Katedra Odlewnictwa, Tworzyw Sztucznych i Automatyki ul. Smoluchowskiego 25
50-372 Wrocław
e-mail: pawel.piorkowski@pwr.edu.pl e-mail: adam.kurzawa@pwr.edu.pl
Abstract: The article discusses problems of performing magnesium alloys composites, reinforced with Al2O3 particles. The chemical composition of casting magnesium alloys, most common alloy elements and their impact on alloy properties were described. The method of producing magnesium composites - „stir casting” and the impact of
Al2O3 particles on properties of a composite were also described. Research were performed based on the AZ91D alloy
for several different mixing times. The microstructure of an alloy and composite materials, including phases identification and quality of matrix-particle interphase were analysed. Based on the microstructure, the mixing
efficiency was set. The percentage of Al2O3 particles in a composite was defined. The results of hardness and impact of
mixing time on a microstructure and properties of a Mg-Al2O3 composite were shown.
Keywords: Stir Casting, casting magnesium alloys, Al2O3 particles, Mg- Al2O3 composite, hardness.
Wprowadzenie
Dynamiczny rozwój nowoczesnych technologii sprawił, że wytwarzane materiały konstrukcyjne charakteryzują się coraz to lepszymi własnościami wytrzymałościo-wymi i eksploatacyjnymi. Jednak tak duży postęp technologiczny skutkuje również tym, ze coraz trudniej jest wytworzyć materiały lepsze od już istniejących. Jednymi z głównych zasad projektowania nowoczesnych materiałów są oczywiście aspekty ekonomiczne, ale również ograniczenie masy elementów konstrukcji, co wiąże się bezpośrednio z ekologią oraz zwiększeniem wydajności pracy.
Jedną z grup materiałów o lepszych, często nieosią-galnych przez materiały konwencjonalne własnościach są materiały kompozytowe. To połączenie w jednym materiale dwóch, lub więcej różnych komponentów daje możliwość zintegrowania ich zalet oraz stwarza możliwość wytworzenia materiałów o lepszych, często unikalnych własnościach. Materiały te znane były już w starożytności, ale dopiero od kilkudziesięciu lat stosuje się je na szeroką skalę. Kompozyty można wykonać w technologii odlewniczej, przeróbki plastycznej czy też metalurgii proszków. Materiały wykonane metodami odlewniczymi składają się z osnowy w postaci jednego ze stopów odlewniczych oraz wzmocnienia w postaci twardych i kruchych materiałów ceramicznych.
Równolegle do rozwoju materiałów kompozytowych przebiegał rozwój odlewniczych stopów magnezu. Głównymi przyczynami tego stanu rzeczy była wymyślona w połowie lat 90-tych w Chinach metoda Pidgeon, która pozwoliła na pozyskiwanie magnezu w sposób tańszy i łatwiejszy. Dzięki temu znacznie zmniejszyła się różnica w cenie pomiędzy stopami aluminium oraz stopami magnezu, a korzystanie z tych drugich stało się ekonomicznie uzasadnione. Z drugiej strony, branża motoryzacyjna coraz bardziej zaczęła doceniać własności stopów magnezu. Szczególnie wysoka wytrzymałość właściwa magnezu zadecydowała o coraz szerszym zastosowaniu tego materiału w pro-dukcji samochodów, zwłaszcza w postaci odlewów. 20 lat temu jedynie 13% wydobywanych stopów mag-nezu przeznaczano na odlewy [1]. Aktualnie wartość ta przekracza 50%. Uwzględniając fakt, że wydobycie magnezu od czasu zastosowania metody Pidgeon wzrosło 3-krotnie, można zauważyć, że w krótkim czasie ilość odlewów magnezowych w przemyśle wzrosła około 10-krotnie [2].
Większe wykorzystanie stopów magnezu sprawiło, że coraz więcej uwagi zaczęto przykładać do rozwiązania problemów związanych z wytwarzaniem z tego materiału gotowych wyrobów. W kwestii wykonywania odlewów największe problemy sprawiają mikropo-rowatość, mała pojemność cieplna oraz uzyskanie jednorodnej struktury [3]. Aby polepszyć własności
odlewniczych stopów magnezu można stosować różne
dodatki stopowe lub umacniać magnez twardymi
cząstkami ceramicznymi, tworząc kompozyt. Istnieją różne metody wytwarzania kompozytów na osnowie magnezu [4, 5]. W artykule opisano jedną z nich – metodę Stir Casting. Przy użyciu tej metody wytworzono serię odlewów kompozytowych na osnowie magnezu
wzmacnianych cząstkami Al2O3. Odlewy wykonano
przy różnych czasach mieszania. Przeanalizowano mikrostrukturę i własności wykonanych materiałów.
Magnez, jako materiał konstrukcyjny posiada kilka wad, do których zaliczają się przede wszystkim niska wytrzymałość na rozciąganie, niska wartość modułu Younga oraz słabe własności tribologiczne. Wady te sprawiły, że zasadne stały się próby umocnienia magnezu, tworząc kompozyty [6]. Poza tym, własności stopów magnezu kształtuje się poprzez udział w składzie chemicznym odpowiednich dodatków stopowych. Ich wybór oraz ich ilość skutkuje zmianą własności (rys. 1).
Rys. 1. Kierunki rozwoju stopów magnezu [7].
Głównym dodatkiem stopowym występującym w stopach magnezu jest aluminium. Zwykle jego zawartość w stopie przekracza 6-8%, co sprzyja tworzeniu się struktury drobnoziarnistej [8]. Dodatek aluminium w stopach magnezu powoduje, że mikrostruktura stopu odlewniczego charakteryzuje się budową dendrytyczną
[9] z wydzieleniami fazy Mg17Al12. Ponadto, jako
dodatki stopowe do stopów magnezu często używane są także: cynk, mangan, lit, beryl, cyna, cyrkon, krzem, nikiel, wapń oraz żelazo. W stosunku do zawartości aluminium, inne dodatki stopowe łącznie nie przekraczają zwykle 10% zawartości całego stopu magnezu.
Materiały kompozytowe oparte na odlewniczych stopach magnezu najczęściej umacnia się węglikami lub tlenkami w postaci cząstek i włókien. W szczególności
są to SiC oraz Al2O3 [10, 11, 12, 13]. Szczególnie dobre
własności daje wprowadzenie cząstek Al2O3, które
oprócz poprawy własności wytrzymałościowych, wpły-wają pozytywnie na własności tribologiczne [14, 15]. Wytwarzanie materiałów kompozytowych na bazie magnezu stosunkowo często realizowane jest przy użyciu dwóch metod: Squezze Casting i Stir Casting. Metody te pozwalają osiągnąć zadowalające rezultaty
pod kątem zwiększenia własności mechanicznych i eksploatacyjnych kompozytów, a także uzyskania pożądanej jednorodnej struktury [16].
Metoda Stir Casting polega na wprowadzeniu cząstek do ciekłego metalu z równoczesnym mieszaniem. Po zakończeniu mieszania zawiesinę kompozytową wlewa się do formy odlewniczej uzyskując odlewy. Metoda Stir Casting mimo tego, że jest technologią tanią i prostą ma też kilka podstawowych wad, do których zalicza się głównie problem nierównomiernego ułożenia wzmoc-nienia w osnowie oraz tworzenia ich aglomeratów.
Opis zagadnienia
Do wytwarzania materiałów kompozytowych użyto osnowy w postaci odlewniczego stopu magnezu AZ91D. Głównym składnikiem stopowym w tym materiale jest aluminium. Ponadto w składzie chemicznym znajdują się dwa dodatki stopowe: cynk oraz mangan. Materiał
ten charakteryzuje się niską gęstością: 1,82 g/cm3, oraz
temperaturą zalewania ok. 6500C. Skład chemiczny
Tab. 1. Skład chemiczny stopu AZ91D. Atest dostawy [17]. Skład chemiczny [%]
Zn Mn Fe Be Si Cu Ni Al
0,64 0,22 0,0014 0,00094 0,018 0,0029 0,00044 9,09
W związku ze znacznym udziałem w stopie AZ91D dodatków stopowych analizę poszczególnych faz ułatwia wykres równowagi fazowej (rys. 2). Rozpuszczalność pierwiastków stopowych w roztworze stałym decyduje w głównej mierze o ich własnościach. Zwiększenie w składzie chemicznym stopu zawartości aluminium
powoduje zmniejszenie ciągliwości stopu w wyniku
zwiększenia udziału kruchych faz: γ-Mg17Al12 i Mn5Al8
[8]. Obecność w stopie krzemu (0,018%) powoduje
powstanie strukturze wydzieleń fazy Mg2Si znanej jako
faza Laves’a.
Rys. 2. Wykres równowagi fazowej Mg-Al [7].
Jako umocnienie w procesie wytwarzania kompozytu
wykorzystano cząstki Al2O3 o twardości 9 w skali
Mohsa, Cząstki charakteryzowała gęstość (3,95 g/cm3)
ponad dwukrotnie większa od materiału osnowy. Wielkość cząstek użytych do badań wynosiła od 3 do
6 m. Proces wprowadzania cząstek Al2O3 w metodzie
Stir Casting niesie ze sobą wiele problemów. Wprowadzenie cząstek do stopu jest uwarunkowane między innymi pokonaniem sił napięcia powierzchnio-wego cieczy oraz odpowiednią zwilżalnością pomiędzy elementami umocnienia a stopem osnowy [18]. W szczególności aby zapewnić skuteczne wprowadzanie cząstek do osnowy należy zapewnić odpowiednią cyrkulację cieczy w procesie mieszania. Decydują o tym prawidłowo dobrane parametry wytwarzania, takie jak: temperatura stopu, kształt mieszadła, prędkość i czas mieszania. Wymienione parametry, jak również odpowiednio dobrany skład chemiczny osnowy warunkują dobre połączenie adhezyjne na granicy fazowej osnowa/cząstka.
Proces wykonania kompozytu przeprowadzono w Pracowni Odlewnictwa Politechniki Wrocławskiej, na stanowisku przedstawionym na rys. 3.
W ramach badań wytworzono trzy serie odlewów kompozytowych wprowadzając do ciekłego stopu AZ91D wstępnie nagrzane do temperatury 300C cząstki tlenku aluminium i mieszając przez odpowiednio 5, 10 oraz 15 minut. W celach odniesienia wykonano również serie odlewów nieumocnionych. Materiały odlewane były w sposób grawitacyjny do kokili nagrzanej do temperatury 250C. Na rys. 4 przedstawiono mikrostrukturę otrzymanego nieumocnionego odlewu. Otrzymano odlew o typowej dendrytycznej strukturze z wyraźnie widoczną fazą α oraz wydzieleniami γ. Przykładową mikrostrukturę otrzymanych materiałów kompozytowych przedstawiono na rys. 5. Wprowadzone
cząstki Al2O3 najczęściej są rozłożone na granicach fazy
α. Niekiedy, szczególnie w kompozytach otrzymanych przy 5 minutach mieszania obserwuje się nieliczne ich aglomeraty ze śladami mikroporowatości.
Rys. 3. Urządzenie do wytwarzania kompozytów metodą Stir Casting [17].
Rys. 4. Mikrostruktura stopu magnezu po odlewaniu [17].
Rys. 5. Mikrostruktura kompozytu Mg-Al2O3 [17].
100m
Mg17Al12
Roztwór stały
Analiza mikrostruktury wykonana na mikroskopie ska-ningowym Hitachi TM-300 z przystawką EDS pozwoliła na analizę i identyfikację poszczególnych, występują-cych w otrzymanych odlewach faz. Na rys. 6
przestawio-no powierzchnię przełomu próbki otrzymanej po 10 mi-nutach mieszania. Powierzchnia uzyskana po złamaniu próbki wykazuje złom o charakterze mieszanym.
Rys.6. Analiza EDS materiału kompozytowego Mg-Al2O3 [17].
Wyniki analizy punktowej wydzielenia oznaczonego
potwierdzają obecność fazy Mg2Si. Należy zwrócić
uwagę że osnowa – faza α odspaja się od powierzchni
kruchego wydzielenia Mg2Si.
Identyfikacji pozostałych obecnych w odlewach wydzieleni wykazano w analizie liniowej (rys. 7).
Analiza wykazała obecność wydzielenia Mn5Al8, obecnego na granicy z roztworem stałym α. Ponadto z wyników analizy potwierdzić można obecność
wprowadzonych cząstek Al2O3.
Skuteczność wprowadzania cząstek w zależności od czasu mieszania określono w oparciu o analizę statystyczną. Powierzchnię każdej próbki podzielono na 25 obszarów, na których określano liczbę cząstek oraz procentowy udział cząstek w całkowitej powierzchni próbki. Wyniki przedstawione na rys.8a wskazują, że zwiększenie czasu mieszania powoduje zwiększenie
skuteczności wprowadzania cząstek Al2O3 do osnowy
AZ91D. Największą ilość cząstek wynoszącą średnio 9,8% obj. uzyskano w kompozytach wytworzonych przy 15 minowym mieszaniu.
Przy pomocy analizy statystycznej określono również równomierność rozłożenia cząstek umacniających w osnowie. W analizie uwzględniono ilość skupisk cząstek oraz ilość cząstek zaglomerowanych odniesionych do ilości wszystkich zliczonych z danej powierzchni cząstek. Analiza ilości cząstek pozostających w aglomeratach w wykonanym kompozycie wskazuje, że proces mieszania pełni istotną rolę w rozbijaniu aglome-ratów cząstek (rys. 8b). Zwiększenie czasu mieszania powoduje wzrost skuteczności rozbijania aglomeratów. Ilość cząstek niezaglomerowanych w stosunku do wszystkich cząstek wzrasta od 60% dla czasu mieszania wynoszącego 5 minut do 74% dla czasu mieszania wy-noszącego 15 minut.
Rys. 8. Skuteczność wprowadzania cząstek (a) oraz statystyczna ocena równomierności rozłożenia cząstek w osnowie (b) w zależności od czasu mieszania.
Wytworzone materiały kompozytowe poddano bada-niom twardości. Badania wykonano metodą Brinella pod obciążeniem 625N z użyciem kulki stalowej 2,5 mm.
Wyniki pomiarów twardości HB w zależności od czasu wprowadzania cząstek i w odniesieniu do nieumocnio-nego stopu AZ91D przedstawiono na rys. 9.
60 66 72 78 84 90 osnowa
AZ91D 5 min 10 min 15 min
Tw ar do ść HB 2, 5/ 62 5N
Czas mieszania [min]
Rys. 9. Twardość wytworzonych materiałów kompozytowych.
Umocnienie osnowy ponad 6%obj. cząstek umacnia-jących, co osiągnięto po 5 minutach mieszania powoduje ok 20% zwiększenie twardości w stosunku do
nieumocnionej osnowy. Największą natomiast twar-dością charakteryzowały się materiały z blisko 10% obj.
cząstek AlO wytworzone po 15 minutach mieszania.
60 64 68 72 76
5 min 10 min 15 min
Pr ocen to w a z aw ar to ść cz ąst ek n iez ag lo mer ow an yc h w st osu nk u do w sz yst kich cz ąst ek [ % ]
Czas mieszania [min]
b)
0 2 4 6 8 105 min 10 min 15 min
P ro centow a z a w art o ść cz ą st e k A l2 O3 [% ]
Czas mieszania [min]
a)
Podsumowanie
Przeprowadzone badania potwierdziły zależność skuteczności wprowadzania cząstek w procesie Stir Casting od parametrów wytwarzania. W szczególności głównym czynnikiem kształtującym strukturę i własności metalowych materiałów kompozytowych jest zwilżalność składników kompozytu. Wraz ze zwiekszeniem czasu kontaktu umocnienia z ciekłą osnową ulega zminie kąt zwilżania, co skutkuje zwiekszeniem skuteczności wytwarzania zawiesiny komozytowej. Wydłużenie czasu mieszania sprzyja również w uzyskaniu jednorodego rozmieszczenia fazy umacniającej poprzez rozbijanie aglomeratów cząstek. Biorąc jednak pod uwagę możliwość wystąpienia zjawisk dyfuzyjnych przy długotrwałym kontakcie
umocnienia z ciekłą osnową istnieje możliwość degradacji powierzchni umocnienia. Powstające na granicy osnowa/cząstka niepożądane produty reakcji mogą negatywnie wpływać na własności wytrzy-małościowe.
Wraz ze wzrostem ilości cząstek wzrasta twardość ba-danych materiałów kompozytowych. Najkorzystniejsze wyniki uzyskno w materiałach z ok 10% obj. cząstek
Al2O3 wytworzonych przy 15 minutowym mieszaniu. W
materiałach tych twardość HB jest o blisko 30% większa od twardości nieumocnionej osnowy AZ91D.
W badanych materiałach stwierdzono obecność typowej
dla wybranego stopu magnezu fazy γ-Mg17Al12 w
osnowie roztworu stałego α- Mg. Stwierdzono również
obecność Mn5Al8 oraz fazy Laves’a Mg2Si.
Literatura
1. Kainer, K.U., Magnesium Alloys and Their Applications, Wiley-WCH, 2003.
2. Dziadoń, A., Magnez i jego stopy, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2012.
3. Braszczyńska–Malik, N.K., Studium kształtowania mikrostruktury stopów magnez–aluminium, Wydawnictwo WIPMiFS, 2005.
4. Hu, H., 1998: Squeeze casting of magnesium alloys and their composites, Journal of Materials Science, 1998, 6, pp. 1579-1589.
5. Hashim, J., Looney, L., Metal matrix composites: production by the stir casting method, Journal of Materials Processing Technology,1999, 8, pp. 1–7
6. Hassan, S.F., Gupta, M., Development of a novel magnesium/nickel composite with improved mechanical properties, Journal of Alloys Compounds, 2002, 03, L10-L15 (14).
7. Dobrzański, L.A., Tański, T., Dobrzańska–Danikiewicz, A.D., Król, M., Malara, S., Domagała–Dubiel, J., Struktura i własności stopów Mg-Al-Zn, Open Acces Library, 2012, Vol.5 (11), s. 5-10.
8. Kiełbus, A., Adamiec, J., Hetmańczyk, M., Mikrostruktura odlewniczego stopu magnezu GA8, Archiwum odlewnictwa, 2006, R.6, nr 18(1/2), s. 203-208.
9. Braszczyńska-Malik, K.N., Structure pf AZ91 magnesium matrix alloy composite reinforced with graphite particles, Kompozyty, 2008, R 8, nr 3, pp. 242-246.
10. Dobrzański, L.A., Piec M., Bilewicz, M., Materiały kompozytowe o osnowie stopu magnezu EN-MCMgAl9Zn1 wzmacniane cząstkami Al2O3, Inżynieria Materiałowa, 2003, R.XXIV, nr 6, s. 605-608.
11. Braszczyńska-Malik, K.N., Bochenek, A., Problemy z korelacją pomiędzy strukturą, a własnościami odlewanych kompozytów metalowych umacnianych cząstkami ceramicznymi, Kompozyty, 2001, nr 1, s. 28-31.
12. Krishnadev, M.R., Angers, R., Krishnadas, N.C.G., The structure and properties of magnesium-matrix composites, Journal of Materials, 1993, 8, pp. 52-54.
13. Kurzawa, A., Kaczmar, J., Bending strength of composite materials with EN AC-44200 matrix reinforced with Ai2O3 particles, Archives of Foundry Engineering, 2015, Vol. 15, iss. 1 spec. pp. 61-64.
14. Kaczmar, J., Granat, K., Grodzka, E., Kurzawa, A., Tribological properties of Cu based composite materials strengthened with Al2O3 particles, Archives of Foundry Engineering, 2012, Vol. 12, iss. 1 spec. pp. 33-36.
15. Kurzawa, A., Grodzka, E., Janus, A., Kaczmar, J., Tribological properties of AC44200 based composites strenghead with Al2O3 particles, Archives of Foundry Engineering, 2011, Vol. 11, 2, pp. 69-74.
16. Srivastava, V.C., Sahoo, K.L., 2007. Processing and mechanical properties of SiC reinforced cast magnesium matrix composites by stir casting process, Materials Science and Engineering, 2007, 7, pp. 357–364.
17. Piórkowski, P., Mikrostruktura i wybrane własności materiałów kompozytowych Mg-Al2O3, praca magisterska,
Politechnika Wrocławska, 2014.
